Файл: В.А. Старовойтов Одноконтурная автоматическая система регулирования расхода жидкости.pdf

16

зависит от конкретных условий эксплуатации, а характеристики – как от параметров, проходящих через исполнительное устройство среды, так и от конфигурации трубопровода.

Входным сигналом пневматических исполнительных устройств является давление сжатого воздуха в диапазоне 20 – 100 кПа от регулятора, а выходным сигналом – расход вещества или энергии, поступающих в объект регулирования. Пневматические исполнительные механизмы широко применяются в химической промышленности, поскольку они просты по конструкции, надежны и удобны в эксплуатации, пожаробезопасны. Эти устройства характеризуются высоким быстродействием и точностью позиционирования при умеренных усилиях.

На рис. 10 показана структурная схема исполнительного устройства, состоящего из регулирующего органа РО, исполнительного механизма ИМ и дополнительных блоков ДБ (позиционера, ручного дублёра, датчика положения и др.). РО воздействует на объект регулирования, изменяя его пропускную способность. ИМ представляет собой функциональный преобразователь управляющего сигнала регулятора во входной сигнал регулирующего органа. Оба блока связаны между собой обычно штоком ИМ, который передаёт регулирующему органу перестановочное усилие. Перестановочное усилие воспринимается затвором, представляющим собой подвижную часть РО, перемещением которого достигается изменение проходного сечения и пропускной способности. В большинстве конструкций затвор движется относительно неподвижного седла и образует вместе с ним проходное сечение регулирующего органа.

Дополнительные блоки исполнительного устройства предназначены для улучшения динамических и технических характеристик исполнительных механизмов.

По типу привода пневматические исполнительные механизмы делятся на мембранные (мембрано - пружинные) и поршневые.

Мембранный исполнительный механизм (МИМ) представляет собой преобразователь давления сжатого воздуха в пропорциональное перемещение выходного элемента (штока, рычага) при величине этих перемещений от 6 до 100 мм. Схема МИМ показана на рис. 11.

Рис.11. Мембрано – пружинный исполнительный механизм прямого (а) и обратного (б) действия : 1 – регулирующий орган; 2 – шток; 3 – пружина; 4 – мембрана; 5 – сальник

На схеме вместе с исполнительным механизмом изображен и регулирующий орган 1. Выходной шток 2, соединённый с регулирующим органом 1, в одну сторону перемещается силой, которая создаётся входным давлением Р, поступающим с выхода пневматического регулятора, а в другую – усилием пружины 3. Давление Р передаётся в герметичную мембранную камеру, в которой находится мембрана из резинотканевого материала с жестким центром. Давление Р создаётся усилием, зависящим от эффективной площа-

18

ди мембраны. Пружина противодействует этому усилию; сила противодействия является функцией жесткости пружины. Условие равновесия сил на мембрано-пружинном механизме выражается соотношением

где Р – давление в мембранной камере; Рн – начальное давление, эквивалентное усилию предварительного сжатия пружины; Fэф – эффективная площадь мембраны ; с – жесткость пружины; S - величина хода.

Мембрано-пружинные механизмы имеют устройство для регулирования начального сжатия пружины. От величины этого сжатия зависит начальное давление, при котором начинается движение штока (давление трогания). В обычных пневматических исполнительных механизмах начальное сжатие рассчитано на стандартную величину командного сигнала 0,02 МПа.

Мембранные ИМ бывают прямого и обратного действия. В механизме прямого действия (рис.11,а) повышение давления в мембранной камере приводит к перемещению штока вниз. В механизме обратного действия (рис.11,б) повышение давления в камере приводит к перемещению штока вверх. Это означает, что для регулирующего органа, изображённого на рис.11, механизм обратного действия обеспечивает исполнение «нормально открыт», а механизм прямого действия «нормально закрыт», т.е. при отключении входного сигнала Р в первом варианте произойдет полное открытие, а во втором - полное перекрытие прохода.

Для улучшения технических характеристик мембранные ИМ комплектуют различными дополнительными блоками: усилителями (позиционерами), ручными дублёрами, датчиками и фиксаторами положения, сигнализаторами крайних положений.

19

4.4. Вторичные пневматические измерительные приборы

Вторичные пневматические приборы предназначены для измерения и регистрации технологических параметров, их питание осуществляется осушенным и очищенным от пыли и масла воздухом давлением 140 кПА. Поскольку входные и выходные сигналы унифицированы, вторичные пневматические приборы можно использовать для контроля любых технологических параметров. Шкалы и диаграммы приборов могут быть отградуированы в процентах (100%-ная шкала) или в единицах измеряемого параметра.

Приборы работают совместно с пневматическими датчиками, регуляторами и другими устройствами, выдающими унифицирован- ные аналоговые сигналы в пределах от 20 до 100 кПА (от 0,2 до

1,0 кгс/см2). Предел допускаемой основной погрешности для всех вторичных приборов не превышает ±1,0% от номинального диапазона входного сигнала.

Вторичные приборы осуществляют автоматический контроль, регистрацию технологических параметров объекта и управление работой системы регулирования. Приборы, предназначенные для работы с регуляторами, имеют встроенные станции управления, которыми обеспечивается возможность автоматического ведения процесса, ручного или автоматического программного управления.

Принципиальная схема измерительного устройства является общей для всех вторичных приборов и приведена на рис. 12.

Действие измерительного устройства основано на компенсационном принципе измерения.

Приемный элемент (сильфон 1) воспринимает от датчика (измерительного преобразователя) импульсы давления у. Сжатый воздух от источника питания поступает в линию, сообщающую сопло 2 с силовым элементом 6.

При изменении у изменяется зазор между заслонкой 3 приемного элемента и соплом 2, что приводит к изменению давления

и упирающийся в нее рычаг 5, который связан с заслонкой 3 пружиной обратной связи 4. Таким образом, усилие, развивающееся на сильфоне 1 под действием у, уравновешивается усилием на силовом элементе 6. Перемещение рычага 5 силового элемента пере-

20

дается перу или стрелке 7 измерительного устройства. Рычаг 5 будет перемещаться до тех пор, пока момент силы пружины, кинематически связанный с рычагом силового элемента, не скомпенсирует момент силы, развиваемой чувствительным элементом. Урав-

сильфона; K – передаточное отношение рычажного механизма; z – перемещение пружины; с – жесткость пружины.

Рис. 12. Принципиальная схема измерительного устройства вторичного прибора: 1 – сильфон; 2 – сопло; 3 – заслонка; 4 – пружина; 5 – рычаг; 6 – силовой элемент; 7 – указатель; 8 – нить

В зависимости от назначения, вторичный прибор может иметь одну или несколько измерительных систем, подобных описанной выше.

Используемый в рассмотренной АСР вторичный прибор ПВ10.17 имеет три измерительных системы и встроенную станцию управления (рис.13).

Р А АП Вкл Отк

ручное дист управление

Промежуточное положение при переходе от Р к А

Автоматическое управление

Переход от автоматического на ручное управление

Рис.13. Внешний вид пневматического вторичного прибора со станцией управления (а) и положение кнопок переключателя при различных режимах работы АСР (б)

Три вертикальные шкалы и обеспечивают показания (по левой шкале) или запись на диаграммной ленте текущего значения регулируемой величины, указание сигнала задания (по средней шкале) и выходного сигнала (по правой шкале). СтУ предназначена для обеспечения работы АСР в трех режимах (ручного дистанционного управления Р, автоматического регулирования А и программного регулирования АП) и для плавного перехода с одного режима на другой. Органами управления СтУ являются пятикнопочный переключатель и ручной задатчик. При ручном управлении регулирующий сигнал Рх формируется задатчиком, а при автоматическом и программном регулировании - автоматическим регулятором.

Сигнал задания Ри при автоматическом режиме устанавливается задатчиком, а при программном регулировании - программным задатчиком. Кнопки переключателя расположены слева направо в следующем порядке: Р (ручное управление), А (автоматическое регулирование), АП (программное регулирование), „Вкл” (включение регулятора) и „Откл” (отключение регулятора). Одновременно могут быть включены только две кнопки: одна из кнопок Р, А, АП и одна из кнопок „Вкл” или „Откл”.

22

Рассмотрим последовательность действий при переходе с одного режима работы на другой. На рис. 13, б приведено положение кнопок переключателя при разных режимах. Нажатые кнопки заштрихованы. Для установки режима ручного управления кнопкой „Откл” подают командное давление Рк в камеру А выключающего реле АР (см. рис. 8), отключают выход АР от ИУ и, нажав кнопку Р, подают на ИУ сигнал от задатчика, определяя его величину по правой шкале ВП. По левой шкале ВП определяют текущее значение технологической переменной. При переходе с ручного режима на автоматическое регулирование кнопкой А отсекают выход задатчика от ИУ и сообщают его со шкалой задатчика прибора и АР; задатчиком, следя по средней и левой шкалам ВП, устанавливают сигнал задания Рu, равным Рy, для избежания удара в линии ИУ и, нажимая кнопку Вкл, соединяют выход АР и ИУ с левой шкалой ВП.

5.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

контур и технические средства автоматизации (рис. 14), описанные выше.

АСР расхода реализована в соответствии со схемой, представленной на рис. 14. В качестве объекта регулирования выступает участок трубопровода 2 (здесь и далее по рис. 14). Цель регулирования - стабилизация расхода жидкости (воды), протекающей через него на уровне, соответствующем заданному значению. Для побуждения движения жидкости используется центробежный электронасос 16, питаемый водой из напорного резервуара 14, куда сливается циркулирующая по контуру жидкость. Измерительная часть АСР представлена сужающим устройством 1, преобразователем перепада давлений 18, сигнал (информация о текущем значении регулируемого параметра) от которого поступает на вход регулирующего устройства 10 и измерительный прибор 9. Питание пневматических устройств осуществляется от централизованной системы подачи сжатого воздуха через переменный дроссель (редуктор) 12 и контролируется манометром 11. Для контроля производимых измерений расхода в контур включены два ротаметра 5. Непосредствен-

23

ное воздействие на поток жидкости производит регулирующий клапан 17.